Từ Newton đến Einstein
Nguyễn Văn Trọng
Tạp chí Tia Sáng

Trí tuệ con người không chấp nhận hỗn độn và cố gắng thấu hiểu các trật tự của thiên nhiên dưới hình thức các quy luật. Tuy nhiên, không phải con người có thể xác định ngay được các quy luật khách quan. Đôi khi, người ta tin vào quy luật ngay cả khi nó không hề có, như thời trung cổ đã truyền bá “quy luật” hễ sao chổi xuất hiện là có biến động lớn ở cõi nhân thế. Các quy luật khách quan của khoa học được xác lập nhờ vào tính hoài nghi của con người giúp ngăn ngừa những kết luận thiếu chín chắn.

Từ thời Hy Lạp cổ đại con người đã đạt được nhiều tri thức khoa học quan trọng, đặc biệt là toán học. Tuy nhiên, chỉ đến thế kỷ 16 và 17 của thời kỳ Phục Hưng các cuộc tranh cãi triết lý và khoa học mới chuyển dần từ các tu viện về các trường đại học và thậm chí cả các phòng khách salon. Thời kỳ này có hai tên tuổi lớn với hai tuyên ngôn về phương pháp nghiên cứu khoa học được giải thoát khỏi các giả định tùy tiện hay mê tín, đó là Francis Bacon (1561-1626) và René Descartes (1596-1650). Bacon nhấn mạnh đến tầm quan trọng của các sự kiện quan sát như là khởi điểm của mọi khoa học và lý thuyết chỉ đáng tin cậy trong chừng mực được dẫn xuất ra từ những sự kiện ấy. Một cách lý tưởng thì nhà khoa học phải đưa ra được một bản liệt kê toàn diện tất cả các thí dụ theo lối kinh nghiệm luận của hiện tượng được khảo sát' trước khi đồng nhất sự biểu thị của chúng với "hình thức" tự nhiên của chúng. Dù rằng Bacon không ninh định được đặc tính chính xác của sự trừu tượng hóa được hàm nghĩa ở đây là thế nào, nhưng người ta vẫn coi ông là người đã đòi hỏi rằng các đề xuất lý thuyết là chính đáng) chỉ khi nào chúng được suy diễn ra một cách hình thức từ một liệt kê như vậy. Ngược lại với "phép quy nạp Bacon", Descartes lại chú trọng đến việc xây dựng các hệ thống diễn dịch (deductive systems) chặt chẽ và không chứa đựng mâu thuẫn nội tại cho lý thuyết, trong đó các lập luận được theo đuổi với sự an toàn giống như trong hình học Euchde. Trong khi Bacon phản ứng chống lại sự tin tưởng kinh viện dựa trên uy tín của Anstotle bằng cách kêu gọi quay về với trải nghiệm trực tiếp, thì Descartẹs phản ứng chống lại chủ nghĩa hoài nghi thời đó bằng cách chỉ vào toán học là cái mà mọi tri thức chắc chắn về tự nhiên có thể dựa vào. Ông cho rằng nhiệm vụ của vật lý thế kỷ 17 là mở rộng cấu trúc trí tuệ kiểu Euchde bằng cách đưa thêm các tiên đề, định nghĩa và giả thiết mang tính hiển nhiên tự thân (self-evident) rồi từ đó suy ra các hệ quả. ông cũng tin rằng các hiện tượng tự với vật lý học cũng có thể khảo sát bằng một hệ thống chặt chẽ giống như vậy.

Xét về mặt triết học ta có thể xem Bacon biểu lộ xu hướng của phái duy nghiệm (Empiricism), còn Descartes đại diện cho phái duy lý (Rahonalism). Các luận chứng của Bacon và Descartes mang tính tuyên ngôn: cả hai đều đưa ra cương lĩnh trí tuệ cho nền khoa học tự nhiên đang còn phải xây dựng. Quả thực là trong vòng 150 năm kế tiếp, Galileo, Newton và nhiều người khác nữa mới thực sự đã kiến tạo ra nền khoa học vật lý mới.


Nguyên lý của Newton Tác phẩm "Nguyên lý toán học của vật lý" (Philosophiae aturnhs Principia Mathematica) của Newton ra đời năm 16871à một kiệt tác khoa học có tầm an trọng rất lớn. Tuy nhiên, cũng lại là một sự thật, răng hình thức của lý thuyết mới ấy không hoàn toàn giống hẳn một khuôn mẫu nào mà hai ông bacon và Descartes đã tiên đoán . Mở mặt là có rất ít kiểu quy nạp Bacon trong các quy trình trí tuệ của Newton. Có nhà khoa học như Robert Boyle (một trong những người sáng lập ra môn hóa học hiện đại) đã cố thử áp dụng các châm ngôn của Bacon, nhưng lại thấy chúng cản trở hơn là bổ ích cho việc đúc kết thành các khái niệm mang tính soi sáng.Mặt khác là tuy Newton chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi thí dụ toán học của Descartes, nhưng Newton cũng chỉ theo châm ngôn phương pháp luận luận của ông này đến một điểm nhất định. Đúng là Newton đã đưa thêm các tiên đề, định nghĩa và giả thiết mang tính động lực học vầo lý thuyết chuyển động và lực hấp dẫn của mình theo chỉ dẫn của Descartes, nhưng Newton không hề có kỳ vọng chứng tỏ các mặc định bổ xung ấy là duy nhất hiển nhiên và đúng đắn. Thay vào đó, Newton coi chúng là những mặc định để làm việc, được chấp nhận như là giả thuyết trong chừng mực các hệ quả của chúng soi sáng được chính xác đến chi tiết cho các hiện tượng vẫn còn chưa được giải thích. Rõ ràng là những mặc định như thế không đáp ứng được tham vọng "Diễn dịch" của Descartes một cách đầy đủ. Thí dụ như Newton chưa từng biết đến hiện tượng nào chứng tỏ co các cơ chế hút hấp dẫn Và không hề bận tâm về việc bịa đặt" ra giả thuyết như thế (trái ngược với giai thoại quả táo rơi mà nhiều người vẫn lầm tưởng là sự thực lịch sử) .
Như vậy trên thực tế Newton gần như vô tình đã sáng tạo nên cái mà các triết gia về khoa học từ đó gọi là phương pháp diễn dịch-giả thuyết (hypothefico-deductive method): hình thức thích đáng của lý thuyết được xem như một hệ thống toán học, trong đó các hiện tượng kinh nghiệm luận cá biệt được giải thích bằng cách trên hệ chúng ngược trở lại theo cách diễn dịch với một số ít các nguyên lý tổng quát và các định nghĩa. Phương pháp này bỏ qua yêu cầu của Descartes là các nguyên lý và định nghĩa ấy bản thân chúng có thể được thiết lập một cách thuyết phục và dứt khoát trước khi tra vấn xem các hệ quả của chúng soi sáng thế nào lên các vấn đề khoa học và các hiện tượng mang tính thời sự.
Các nhà triết học lên tiếng từ năm 1700 các cuộc tranh cãi về khoa học luận chuyển sang hướng khác. Thoạt tiên là những đả kích nhằm vào phương pháp của Newton trong đó phải kể đến các tên tuổi như Gottfried Leibniz (1646- 1716) và George Berkeley (1685-1753), nhưng kể từ năm 1740 thì hầu như không còn ai nghi ngờ sự đúng đắn trong quan điềm của Newton nữa, vì cơ học Newton phù hợp kỳ diệu với các quan sát thực nghiệm.
Câu hỏi bây giờ trở thành: làm sao mà Newton lại làm được điều đó? Trong bối cảnh ấy tác phẩm "Phê phán lý tính thuần túy" của Immanuel Kant xuất bản lần đầu vào năm 1781 đã phần nào trả lời cho câu hỏi đó. Trong tác phẩm này Kant đã khảo sát bản thân lý tính của con người ông bác bỏ thuyết duy nghiệm vì cho rằng tuy mọi nhận thức bắt đầu từ kinh nghiệm, nhưng không phải tất cả đều bắt nguồn từ kinh nghiệm. Ông chứng minh rằng có những điều kiện có giá trị phổ quát độc lập với kinh nghiệm làm cơ sở cho kinh nghiệm. Khả năng thấu hiểu của con người có thể dẫn đến sản sinh ra tri thức hiệu quả, chỉ trong chừng mực bản thân giác tính ban đầu có cấu trúc khái niệm. ông cũng phản đối phái duy lý. Mặc dù ông thừa nhận có lý tính thuần túy độc lập với kinh nghiệm, nhưng cho rằng không thể nhận thức được thực tại bằng tư duy đơn thuần Kant cho rằng con người ban tặng một cấu trúc cho tri thức của mình thông qua các khái niệm và phạm trù mà cơn người sử dụng cho việc tạo lập và diễn giải trải nghiệm. Kant và những người thời đó đều tin chắc hình học Euchde và cơ học Newton là các hệ thống toán học và vật lý hoàn bị và duy nhất đúng, nếu như không phải là chân lý toán học cuối cùng vế tự nhiên . Niềm tin ấy thực tế kẻo dài cho đến cuối thế kỷ 19. Hình học Euchde và cơ học Newton luôn là khuôn mẫu cho các lĩnh vực nghiên cứu tự nhiên khác. Lý thuyết điện từ Maxwen Và Vật lý thống kê đều được xây dựng trong tinh than đó và cùng với cơ học Newton đã tạo dựng nên tòa lâu đài vật lý cổ điển.
Thuyết tương đối ra đời.
Thí nghiệm của Albert Michelson (1852-1931) thực hiện một mình tại berlin năm 1881vàcùngvới E. W. Morley tại hoa kỳ năm 1887đã trực tiếp dẫn đến sự ra đời của thuyết tương đối. Vào thời đó người ta nhìn nhận ánh sáng là chuyền động sóng lan truyền với vận tốc nhất định trong môi truờng cơ học được gọi là ê te (ether). Khi trái đất quay sẽ tạo ra chuyền động tương đối với ê-te, như vậy ánh sáng truyền từ một nguồn đặt trên trái đất theo cùng chiều với tốc độ của trái đất sẽ phải có tốc độ khác với ánh sáng truyền theo chiều ngược lại. Thí nghiệm Michelson có mục đích xác định sự khác biệt ấy để từ đó "do" được tốc độ của trái đất tương đối với ê-te. Kết quả thí nghiệm rất bất ngờ không có sự khác biệt nào cả! Các nhà vật lý đã loay hoay rất lâu cố giải thích kết quả thí nghiệm trong khuôn khổ cơ học Newton và giả thiết ê-te . Cuối cùng, Pomcaré đã kết luận rằng việc không có khác biệt nào trong thí nghiệm chính là định luật: ánh sáng truyền Với tốc độ nhừ nhau không phụ thuộc vàn tốc độ của trái đất và là một hằng số vũ trụ. Các nhà vật lý xem trái đất như hệ quy chiếu mà thí nghiệm Michelson được thực hiện trên đó . Các hệ quy chiếu chuyển động tương đối với nhau với một tốc độ không đổi (chuyển động thẳng đều) gọi là các hệ quán tính Các định luật cơ học đều như nhau trong các hệ quán tính và không thể dựa vào chúng để phát hiện ra một hệ quy chiếu đặc biệt nào trong các hệ quán tính. Như vậy Pomcaré đi đến kết luận là đinh luật của thuyết điện từ (ánh sáng truyền với tốc độ không đổi) cũng như nhau trên các hệ quán tính và người ta cũng không thể sử dụng nó đề phát hiện ra một hệ quy chiếu đặc biệt nào (gắn với ê-te) . Einstem cứu ảnh hưởng của Emst Mach (1838-1916) đã đi xa hơn nữa: ông khước từ giả thuyết về tính tuyệt đối của thời gian hàm chứa trong cơ học Newton (một thời gian duy nhất cho một hệ quy chiếu). Tính tuyệt đối của thời gian trong cơ học Newton vốn đã được Mach vạch ra từ trước . Einstein cho rằng mỗi hệ quy chiếu có không gian và thời gian riêng đảm bảo cho các định luật điện từ cũng như cơ học đều như nhau trong mọi hệ quán tính. Để đảm bảo yêu cau này Einstein đã xây dựng lại các định luật cơ học và đó là nội dung của thuyết tương đối riêng ra đời năm 1905 khi Albert Einstem mới 26 tuổi . Trong lý thuyết mới này sự tồn tại của ê-te không còn là điều cần thiết nữa và ngày nay nó không còn hiện diện trong vật lý hiện đại. Cơ học Einstein đưa ra nhiều kết quả khác thường đối với cảm nhận thông thường của con người, thí dụ như thời gian trôi qua đối với người đi trên tàu vũ trụ khác với người ở trên trái đất, khiến cho huyền thoại

Từ Thức nhập Thiên thai lại được nhớ tới như một viễn tượng có thể có. Tuy nhiên, sự khác biệt giữa cơ học Einstein và cơ học Newton thể hiện trong bài toán chuyển động của vật thề đủ biểu lộ rõ rệt với các chuyển động có vận tốc rất lớn xấp xỉ với tốc độ ánh sáng là tốc độ có giá trị gần 300000 klômet mỗi giây .

Với các chuyển động có tốc độ như máy bay thì sự khác biệt là quá nhỏ nên không thể nhận ra được. Thuyết tương đối cũng khẳng định không thể gia tăng vận tốc của vật thể vượt quá vận tốc ánh sáng. Thuyết tương đối của Einstein đã ảnh hướng mạnh mẽ đến tư duy triết học trong việc thẩm định tính chân lý của các lý thuyết khoa học.

Karl Popper đưa ra tiêu chí tính thử sai (falsthabthty) để nhận diện lý thuyết khoa học: một lý thuyết chỉ được coi là khoa học trong trường hợp lý thuyết đó cho phép rút ra các kết luận có thể kiểm chứng bằng thực nghiệm; nhiều kết quả kiểm chứng phù hợp vẫn không đủ chứng minh lý thuyết đó là đúng, nhưng một kết quả không phù hợp cũng đủ chứng minh lý thuyết đó là sai . Một lý thuyết không cho phép rút ra kết luận nào khả dĩ kiểm chứng được bằng quan sát thực nghiệm để phân định đúng sai thì lý thuyết đó không phải là khoa học. Thomas Kuhn khảo sát lịch sử các hoạt động khoa học từ góc nhìn xã hội học và thấy rằng trong thực tiễn lịch sử các nhà khoa học không dễ dàng bác bỏ một lý thuyết khoa học đang hiện hữu như một bộ phận cấu thành hệ ý niệm của cộng đồng những người thực hành khoa học chuẩn mực. Chỉ khi nào các quan sát dị thường tạo nên tình trạng khủng hoảng mà lý thuyết hiện hành không giải quyết nổi thì mới có nhu cầu đối với lý thuyết mới. Sự tiếp nhận một lý thuyết mới là một cuộc cách mạng khoa học thay đổi hệ ý niệm của cộng đồng những người thực hành nghiên cứu khoa học chuẩn mực. Lý thuyết tương đối của Einstein không phải là một bổ xung cho cơ học Newton mà là sự thay thế hệ thống khái niệm của cơ học Newton bằng những ý niệm mới. Thí dụ như khái niệm khối lượng của vật thể trong cơ học Newton là một đại lượng bảo toàn trong khi khối lượng theo Einstein lại chuyển đổi được với năng lượng .

Ảnh hưởng của hai thiên tài Newton và Einstein được thừa nhận là những thiên tài khoa học lớn lao nhất mà nhân loại từng biết đến Đóng góp của các ông tạo nền móng cho tòa lâu đài vật lý học hiện đại và ảnh hưởng sâu sắc đến nhiều ngành khoa học khác. Các thành tựu khoa học đã dẫn đến cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật.

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật lần thứ nhất đã sản sinh ra nền kinh tế công nghiệplàm biến đổi sâu sắc xã hội Châu âu và Bắc Mỹ vào thế kỷ 18. Thành tựu to lớn ấy đã đưa khoa học lên đỉnh cao vinh quang trong con mắt của toàn xã hội, tri thức khoa học được xem là tri thức đáng tin cậy nhất bới vì nó được xác nhận bởi thực tiễn kỹ thuật. Phương pháp khoa học được đề cao và người ta tin tưởng rằng với sự trợ giúp nó nhân loại sẽ nhanh chóng được khai sáng. Phong trào Khai Sáng (Enhghtenment) lan tỏa khắp châu âu và Bắc Mỹ tạo nên thời đại ánh Sáng của phương Tây thế kỷ18.

Các nhà tư tưởng của phong trào Khai Sáng tin tưởng rằng vũ trụ không phải được điều hành bởi các phép mầu của thượng đế mà bởi các quy luật duy lý có thể thấu hiểu được bằng phương pháp khoa học. Khoa học sẽ giúp nhân loại cải thiện đời sống vật chất đồng thời khắc phục được sự tối tăm dốt nát, mê tin dị đoan và các định kiến lạc hậu mà các thế lực chuyên chế của vua chúa và nhà thờ đã duy trì trong quá khứ. Phát triển và tiến bộ được coi là chiều hướng tất yếu của lịch sử. Thực tiễn lịch sử thế giới sau đó đã không xác nhận niềm lạc quan ngây thơ ấy và nhiều nhà tư tưởng thế kỷ 20 đã phê phán phong trào Khai Sáng xuất phát từ những lập trường rất khác nhau. Tuy nhiên, giá trị quan trọng của phong trào Khai Sáng với sự suy tôn con người như một chủ thề tự do và tự chủ trong một xã hội văn minh, vẫn là một di sản văn hóa quý báu cho nhân loại.

Đưa ra các khái niệm cơ bản cho việc mô tả chuyển động của vật thể như không gian và thời gian, khối lượng, quỹ đạo, vận tốc…của vật thể, lực tác động lên vật thể…
Đưa ra một số tiền để (axiom) được thừa nhận không có chứng minh làm điểm xuất phát, trong đó có tiên đề động lực học dưới hình thức “phương trình chuyển động lực học dưới hình thức “phương trình chuyển động”.
Từ phương trình chuyển động có thể dùng toán học như phương tiện diễn dịch để suy ra các hệ quả vật lý dưới dạng các hiện tượng có thể kiểm chứng được bằng quan sát thựuc nghiệm. Cơ học Newton thuyết phục mọi người suốt mấy trăm năm là vì mọi quan sát thực nghiệm cũng như quan trăc thiên văn đều phù hợp với tiến đoán lý thuyết trong độ chính xác cho phép của các dụng cụ đo lường có được vào thời kỳ đó. Chỉ đến khi xuất hiện thí nghiệm của Michelson vào cuối thế kỷ 19 cơ học Newton mới gặp khó khăn trong việc khớp nối với kết quả thực nghiệm.

Theo Tạp chí Tia Sáng